如果結晶緩慢發(fā)生，在平靜的空氣中和接近冰點(diǎn)的溫度下，雪花通常是六角形的。照片：泰德金斯曼/科學(xué)資源
雪花有無(wú)限的形狀和大小。許多似乎是二維的藝術(shù)作品。其他的看起來(lái)像一堆亂蓬蓬的磨損冰絲。大多數以個(gè)體的形式出現，盡管有些可能以多片團塊的形式落下。它們的共同點(diǎn)是它們的來(lái)源：通常在離地面至少一公里（0.6 英里）的地方盤(pán)旋的云。
在冬天，那里的空氣可能非常冷——而且越往上走就會(huì )越冷。要形成雪花，這些云需要低于冰點(diǎn)。但也不會(huì )太冷。雪花是由云中的水分形成的。如果空氣變得太冷，云將無(wú)法容納足夠的水使任何東西沉淀出來(lái)。所以必須有一個(gè)平衡點(diǎn)。這就是為什么大多數薄片會(huì )在零度或零度以下（0 攝氏度（32 華氏度））形成。雪可以在較冷的環(huán)境中形成，但越冷，可用于制作雪花的水分就越少。
事實(shí)上，云的空氣中必須含有過(guò)飽和的水分才能形成薄片*。*這意味著(zhù)空氣中的水分比通常情況下可能存在的要多。（在過(guò)飽和期間，相對濕度可以達到 101%。這意味著(zhù)空氣中的水分比它應該能夠容納的水分多 1%。）
當空氣中的液態(tài)水過(guò)多時(shí)，云會(huì )試圖擺脫多余的水。一些多余的東西會(huì )瞬間凍結成晶體，然后懶洋洋地蜿蜒到地上。
或者這就是簡(jiǎn)單的答案。細節并不是那么簡(jiǎn)單。
單獨的冷水不會(huì )形成雪花
還需要做一件事才能將云中的水分變成薄片?？茖W(xué)家稱(chēng)它為原子核。沒(méi)有東西可以凝結，水滴就不會(huì )結冰。即使氣溫遠低于冰點(diǎn)，水滴也會(huì )保持液態(tài)——至少在它們有可以附著(zhù)的固體物體之前是這樣。
通常，這將是花粉粒、塵埃顆?；蚱渌恍┛諝鈧鞑サ乃槠?。它可能是煙霧狀的氣溶膠或植物釋放的揮發(fā)性有機化合物。即使是汽車(chē)尾氣中噴出的微小煙灰顆?；蛭⑿〗饘偎槠部赡艹蔀檠┗ńY晶的核心。
事實(shí)上，當空氣非常干凈時(shí)，云的水分很難找到核心。
在地面附近，任何物體都可以證明是合適的凍結區。這就是我們在樹(shù)枝、燈桿或車(chē)輛上形成霧凇的方式。與霜不同，當過(guò)冷的水滴結冰到低于冰點(diǎn)的表面時(shí)，霜冰就會(huì )形成。（相反，當水分以液體形式聚集在表面上，然后結冰時(shí)，就會(huì )形成霜凍。）
在云層的高處，必須有一些微小的漂浮顆粒才能形成雪晶。當合適的條件出現時(shí)，過(guò)冷的水滴將鎖定在這些原子核上。他們一個(gè)一個(gè)地做，建造一個(gè)冰晶。
薄片是如何形成的
為了了解雪花錯綜復雜的形狀背后的原因，科學(xué)家們轉向化學(xué)——原子的作用。
水或 H?O 是一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子的組合。圖：Elena Hartley
一個(gè)水分子或 H 2 O 由兩個(gè)與氧原子結合的氫原子組成。這三人組合成米老鼠圖案。這是由于極性共價(jià)鍵。該術(shù)語(yǔ)是指三個(gè)原子，每個(gè)原子彼此共享電子，但不均勻。
氧的原子核更大，所以它有更大的拉力。它更強烈地拉扯它們共享的帶負電的電子。這使這些電子離得更近了一點(diǎn)。它還給氧氣一個(gè)相對的負電荷。就電荷而言，這兩個(gè)氫原子最終有點(diǎn)正。
單獨一個(gè)水分子的結構類(lèi)似于一個(gè)寬 V。但是當多個(gè) H2O 分子發(fā)現它們彼此靠近時(shí)，它們開(kāi)始轉動(dòng)以使它們的電荷配對。相反的費用吸引。因此，正氫的目標是負氧。傾向于產(chǎn)生的形狀：六邊形。
在液態(tài)水中，分子緊密地堆積在一起，不會(huì )形成六邊形。然而，在冰晶中，分子排列成六邊形。圖：Elena Hartley
這就是雪花有六個(gè)面的原因。它源于大多數冰晶的六邊形（六邊形）結構。六邊形組隊。它們與其他六邊形相連，向外生長(cháng)。
雪花就這樣誕生了。
每個(gè)六邊形都包含很多空白空間。這就解釋了為什么冰會(huì )漂浮在水面上。它的密度較小。液相中較熱的 H2O 分子能量太大，無(wú)法形成剛性六邊形。結果，相同數量的 H2O 分子作為固體冰占據的空間比作為液態(tài)水多 9%。
根據溫度，這些六邊形相互連接并以不同的方式生長(cháng)。有時(shí)，他們會(huì )做針。其他的可能會(huì )形成樹(shù)枝狀的樹(shù)突。都是美麗的。并且都有自己獨特的晶體生長(cháng)故事。
自 1885 年 Wilson Alwyn Snowflake Bentley 在他的相機上安裝顯微鏡并成為第一個(gè)拍攝它們的人以來(lái)，雪花結構一直是科學(xué)界的好奇心。
這些短暫的晶體仍然吸引著(zhù)科學(xué)家。為了更好地捕捉它們的形狀和動(dòng)作，鹽湖城猶他大學(xué)的蒂姆·加勒特最近建造了一個(gè)更好的雪花相機。他一直在用它來(lái)了解掉落的各種薄片的內部視圖。
科學(xué)雪花結晶